JPH0421597A - 酸化物超電導導体用基材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、超電導磁石、超電導発電機、超電導エネル
ギー貯蔵、超電導素子用などとして応用開発が進められ
ている酸化物超電導導体用の基材に関する。

「従来の技術」 Ｙ　−Ｂ　ａ−Ｃｕ−０系、Ｂ　ｉ−Ｓ　ｒ−Ｃａ−Ｃ
ｕ−０系、ＴＩＢ　ａ−Ｃａ−Ｃｕ−０系などに代表さ
れる酸化物超電導体を用いて長尺の超電導導体を開発す
ることがなされている。

この種の酸化物超電導体を用いて長尺の超電導導体を実
用化することを考えると、テープ状の金属などのように
可撓性に優れ、しかも加工性の良好な材料からなる基材
を用意し、この基材上に、酸化物超電導薄膜を形成して
酸化物超電導導体を製造することが望まれる。

ところが、現在までに報告されている酸化物超電導導体
用の金属基材は、金、白金、銀、ハステロイなどに限ら
れており、これらの材料からなる基材上に酸化物超電導
薄膜を形成して得られた酸化物超電導導体は、チタン酸
ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ２）あるいはマグネシア（
ＭｇＯ）等の単結晶体からなる基板上に酸化物超電導薄
膜を形成して得られた酸化物超電導導体に対し、臨界電
流密度が２〜３桁小さいのが現状である。

このように金属製の基材上に形成した酸化物超電導薄膜
の臨界電流密度が小さくなる主な原因として知られてい
るのは、酸化物超電導体の結晶の配向性の問題である。

即ち、この種の酸化物超電導体は、結晶の特定の方向に
電流を流し易く、特定の方向に電流を流しにくい電気的
異方生を有している。

従って酸化物超電導体を用いて超電導導体を製造しよう
とする場合、結晶の配向性を制御することが重要な課題
となる。

ここでペロブスカイト構造を基本構造とする酸化物超電
導体の結晶構造においては、結晶軸のＣ軸方向とｂ軸方
向とに銅原子と酸素原子とが配列して結合され、この結
合部分が結晶軸のＣ軸方向に層状に積層された構造をな
している。

従って、この系の酸化物超電導体は、結晶のａ−ｂ面内
の臨界電流密度が高くなるので、臨界電流密度を高める
ためには、結晶のａ−ｂ面を基材表面に平行に配置する
ように、即ち、結晶軸のＣ軸を基材表面に垂直に向くよ
うに酸化物超電導体を成膜することが好ましい。更に、
酸化物超電導薄膜を基材表面に成膜する必要がある背景
から、用いる基材の表面の結晶格子の大きさは、酸化物
超電導体のａｂ軸方向の結晶格子の大きさに等しいこと
が望ましい。

以上のような観点から前述の単結晶体の基板を検討して
みると、（１００）面で配向している５ｒＴｉｙｓの結
晶においては、ａ＝３．９１人であり、（１００）面で
配向しているＭｇＯの結晶においては、ａ＝４．２１人
であるのに対し、Ｙ　ＩＢ　ａ２　Ｃｕ３０７−６なる
組成のＹ系酸化物超電導体にあっては、ａ＝３．８９人
、ｂ＝３．８２人であって前記の値に極めて近い値とな
っている。

これに対し、Ａｇからなる基材は、ａ＝４．０９人の面
心立方の結晶構造を有してはいるものの、従来から酸化
物超電導導体の製造用として用いられてきたものは、多
結晶構造で結晶の向きも揃っていないものであった。こ
のため、Ａｇの基材上に酸化物超電導薄膜を作製した場
合に、基材の表面と酸化物超電導薄膜のａｂ軸の格子定
数の不整合により、酸化物超電導薄膜をＣ軸配向させる
ことが難しい問題があった。

また、Ａｇからなる基材は、酸化物超電導体を形成した
後に行う熱処理によって軟化する傾向があり、超電導磁
石の電磁力に起因する外力が作用する装置への応用とし
ては強度不足となる問題がある。また、基材自体が強度
不足であると、応力付加によって基材上の超電導薄膜に
クラックが入ったり、基材と超電導薄膜が剥離するおそ
れがあった。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、酸
化物超電導薄膜を良好な結晶配向状態で形成できるとと
もに、機械強度が高く、応力付加に強い酸化物超電導導
体を得ることができる基材を提供することを目的とする
。

［課題を解決するための手段」 請求項１に記載した発明は前記課題を解決するために、
基材の外面に酸化物超電導薄膜を形成してなる酸化物超
電導導体用の基材であって、前記基材を、貴金属よりも
高強度の可撓性の耐熱性の金属基材部と、この金属基材
部の外面に被覆された結晶質の面心立方構造の賞金ＩＦ
ｉ材料からなる被覆層とから構成し、前記被覆層の外面
において、少なくとも酸化物超電導薄膜を形成する部分
を、（１００）面の方向に結晶配向されてなるものであ
る。

「作用　」 酸化物超電導体の格子定数に近い格子定数を有する貴金
属からなる被覆層を備えた基材を用い、この被覆層の結
晶を（１００）面の方向に配向、しているので、この被
覆層上に酸化物超電導薄膜を成膜するならば、酸化物超
電導薄膜が被覆層の表面の結晶構造に整合しつつ成長す
る。従って基材表面にＣ軸配向した酸化物超電導薄膜が
生成する。

また、貴金属製の被覆層を強度の高い金属基材部で補強
しているので、貴金属単独からなる基材よりも機械強度
に優れ、応力付加に対して強い構造となる。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

本発明の基材を形成し、更に酸化物超電導導体を製造す
るには、まず、圧延加工などの塑性加工により、厚さ０
．１〜０．５ｍｍ程度の長尺のテープ状の可撓性のある
第１図に示す金属基材部ｌを形成する。この金属基材部
ｌは、ハステロイなどの耐熱Ｎｉ基合金から形成する。

また、金属基材部ｌを形成する耐熱金属は、貴金属より
も機械強度が高い高強度の金属材料を用いる。

次に前記金属基材部１の表面に第２図に示すようにＡｇ
、Ａｕ、Ｐｔあるいはこれらの合金などの貴金属からな
る被覆層２を形成し、２層構造の基材３を形成する。こ
こで、前記被覆層２の厚さは、１０〜１００μｍ程度が
好ましい。この理由は、被覆層２が１０μｍより薄いと
、金属基材部ｌの構成元素の拡散や被覆層２の連続性が
欠如するので好ましくなく、１００μｍより厚いとコス
トが上昇するので好ましくない。また、前記被覆層２を
形成する方法は、メツキ法、クラッド法、圧着法、ＣＶ
Ｄ法あるいは溶着性などの公知の方法のいずれを用いて
も良く、要は必要な厚さの被覆層を形成できる手段を用
いれば良い。

これらの貴金属からなる被覆層２は、結晶構造が酸化物
超電導体の結晶構造と類似であって、格子定数も近いも
のである。例えば、Ｙ　＋　Ｂ　ａｔ　Ｃ１１３０７−
６なる組成の酸化物超電導体の結晶においては、ペロブ
スカイトを基本とする結晶構造であって、ａ＝３．８９
、ｂ＝３．８２である。これに対し、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ
はいずれも面心立方構造であって、Ａｇはａ＝４．０９
人、Ａｕはａ＝４．０８人、ｐｔはａ−３，９２人であ
る。

前記テープ状の２層構造の基材３を形成したならば、好
ましくは１気圧以下の酸素分圧下において、３００℃を
越える温度で７００℃より低い温度、より好ましくは５
００〜６００℃の温度で、１００時間以下、より好まし
くは１〜６時間時間熱処理を行って被覆層２の表面の結
晶を配向させる。

ここで、銀などの金属は、強圧延加工などの強い塑性加
工を受けると、加工組織、即ち優先方位を持った集合組
織になって、特殊な方位に結晶が揃うことが知られてい
る。従って、前述の圧延加工によりテープ状に形成して
集合組織を発達させたものに熱処理を施すことにより結
晶粒の結晶方位を特定方向に優先的に揃えることができ
、この際の方位が（１００）方向であって、酸化物超電
導体の格子定数ならびにＣ軸配向性に寄与する。

前記の熱処理によって被覆層２の表面の結晶は、（１０
０）面が配向する。なお、基材３を熱処理する際の雰囲
気は、大気圧中でも差し支えない。ここで金属基材部ｌ
はハステロイなどの耐熱金属から形成されるので、熱処
理によって強度低下を弓き起こしたり損傷することもな
い。

次に前記基材３上に、スパッタリング、分子線エピタキ
シー法、レーザＰＶＤ法、ＣＶＤ法などの成膜手段を用
いて第３図に示すように酸化物超電導薄膜４を形成する
。ここでの酸化物超電導薄膜４は、Ｙ　−Ｂ　ａ−Ｃｕ
−０系、Ｂ　ｉ−Ｓ　ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔ　１−
Ｂ　ａ−Ｃａ−Ｃｕ−０系などに代表される酸化物であ
る。具体的に例えば、Ｙ　ｒ　Ｂ　ａｔ　Ｃｕｓ　Ｏ？
−６なる組成、Ｂ　ｒｔｓ　ｒｔｃ　ａｔＣｕｓｏ　ｘ
なる組成、ＴＩ。

ｃｌ　　う−ρ−１−１”＋＋−／’ｌ　　−小　釦　
虚　小　ｔ、小　佇　ν　７慴　本　ス前記基材３上に
酸化物超電導薄膜４を形成する場合、基材表面の結晶が
（１００）面に配向しているので、基材表面上に形成さ
れる酸化物超電導薄膜４の結晶の配向性も整った状態と
なる。即ち、酸化物超電導薄膜４の結晶のａ−ｂ面が被
覆層２の上面に平行に向き、同結晶のＣ軸が被覆層２の
表面に対して垂直になるように結晶配向する。

基材３上に酸化物超電導薄膜４を形成したならば、酸化
物超電導薄膜４の均質化を目的として５００〜８００°
Ｃに１分〜数時間程度加熱した後に徐冷する熱処理を施
しても良い。この熱処理によって酸化物超電導薄膜４の
結晶構造が整えられて超電導特性が向上し、酸化物超電
導導体５が得られる。

前述のように表面結晶が配向した被覆層２上に更に酸化
物超電導薄膜４を成膜するならば、被覆層２の結晶軸に
酸化物超電導薄膜４の結晶軸を一致させなから成膜でき
るので、酸化物超電導薄膜４を基材上に配向状態で成膜
することができる。

従うて［４ＪｉＬ！滞密庁の恵い優れた酸什物紹雷這這
体５を得ることができる。

また、得られた酸化物超電導導体５は、耐熱性に優れ、
高強度の金属基材部１で補強されるために、超電導磁石
用として使用されて電磁力に起因する応力が付加された
場合であっても、超電導薄膜４にクラックを生じるおそ
れが少なく、外力に強い特徴を有する。

「実施例」 ハステロイＣ−２７６からなる厚さ０　、３　ｔａｆｆ
１１幅５１のテープ状の金属基材部を圧延加工により形
成し、これの表面に、Ａｇからなる厚さ０　、１　ｌ１
１ｍの被覆層を形成し、全体を０．５〜１．０気圧の酸
素分圧下において、５００℃で１時間熱処理を加えるこ
とで、被覆層表面のＡｇの結晶を（１００）面に沿うよ
うに配向させた。

続いてレーザ蒸着装置を用いて被覆層上にＹｔＢ　ａｒ
ｃ　ｕｓｏ　ｔ−６なる組成の酸化物超電導薄膜を成膜
した。

第５図に、前記のように製造された酸化物超電導薄膜の
Ｘ線回折試験結果を示す。第５図から明らかなように、
Ｙ　＋　Ｂ　ａｔ　Ｃ，ｕ３０　？−６なる組成の酸化
物超電導体に特有の回折ピークが見られ、配向状態の酸
化物超電導薄膜を被覆層上に形成できることが明らかに
なった。

また、前記のように製造された酸化物超電導導体の引張
り強度を測定した結果、５０　ｋｇ／　ｍｍ’の優秀な
値を示した。これに対し、前記基材と同一寸法のＡｇテ
ープを用い、これを熱処理して結晶配向させ、その上に
超電導薄膜を形成して得られた酸化物超電導導体の引張
り強度は１４　ｋｇ／　ｍｍ’であった。

以上のことから本発明の基材を用いて製造された酸化物
超電導導体は、配向性の良好な酸化物超電導薄膜を備え
るとともに、Ａｇのみのテープ材と比較し、引張り強度
も高いことが明らかになった。従って前記酸化物超電導
導体は、電磁力による応力付加などにさらされる超電導
磁石用などとして好適である。

「発明の効果」 以上説明したように本発明によれば、酸化物超電導体の
格子定数に近い格子定数を育し、結晶の格子定数の類似
する貴金属からなる被覆層を金属基村上に形成した基材
を用い、この基材の被覆層表面の結晶を（１００）面の
方向に配向しているのて、この基材を用いて被覆層上に
酸化物超電導薄膜を成膜するならば、酸化物超電導薄膜
が被覆層表面の結晶構造に整合しつつ成長する。従って
基材表面にＣ軸配向した酸化物超電導薄膜を生成させる
ことができ、結晶配向性の良好な臨界電流特性の高い酸
化物超電導導体を得ることができる。

また、基材全体を高価な貴金属で構成する場合よりも貴
金属の使用割合を少なくできるので、本発明の基材を用
いることによって得られる酸化物超電導導体のコストダ
ウンができる。

また、耐熱性の高強度の金属基材部の上に被覆層を形成
し、更に酸化物超電導薄膜を形成すると、応力が付加さ
れた場合に金属基材部が強度を発揮し、超電導薄膜のク
ラック発生を防止するので、外力に強い酸化物超電導導
体が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の詳細な説明するためのも
ので、第１図は金属基材部の断面図、第２図は金属基材
部上に被覆層を形成した状態を示す断面図、第３図は被
覆層上に酸化物超電導薄膜を形成した状態を示す断面図
、第４図は酸化物超電導導体の断面図、第５図は実施例
で基材上に形成したＹ系超電導薄膜のＸ線回折ピークを
示すグラフである。 １・・・金属基材部、２・・・被覆層、３・・・基材、
４・・・酸化物超電導薄膜、５・・・酸化物超電導導体
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　基材の外面に酸化物超電導薄膜を形成してなる酸化物
   超電導導体に用いられる基材であって、前記基材が、貴
   金属よりも高強度の可撓性を有する耐熱性の金属基材部
   と、この金属基材部の外面に被覆された結晶質の面心立
   方構造の貴金属材料からなる被覆層とからなり、前記被
   覆層の外面において、少なくとも酸化物超電導薄膜を形
   成する部分が、（１００）面の方向に結晶配向されてな
   ることを特徴とする酸化物超電導導体用基材。